Генерация сверхкоротких импульсов в лазере с керровской нелинейностью в резонаторе и применение этого лазера в нелинейной спектроскопии гладких и профилированных поверхностей тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В.ЛОМОНОСОВА

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ Кафедра общей физики и волновых процессов

На правах рукописи УДК 621.373.826

/

(

АНГЕЛУЦ АНДРЕИ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ГЕНЕРАЦИЯ СВЕРХКОРОТКИХ ИМПУЛЬСОВ В ЛАЗЕРЕ С КЕРРОВСКОЙ НЕЛИНЕЙНОСТЬЮ В РЕЗОНАТОРЕ И ПРИМЕНЕНИЕ ЭТОГО ЛАЗЕРА В НЕЛИНЕЙНОЙ СПЕКТРОСКОПИИ ГЛАДКИХ И ПРОФИЛИРОВАННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

Специальность 01.04.21 - лазерная физика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МОСКВА - 1997

Работа выполнена на кафедре общей физики и волновых процессов физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова

Научные руководители

Официальные оппоненты

доктор фиа.-мат. наук, профессор Н.И. Коротеев кандидат физ.-мат. наук,

Д.П. Криндач

доцент кандидат физ.-мат. наук, с.н.с. А.П. Шкуринов

доктор физ.-мат. наук

RA. Орлович

кандидат физ.-мат. наук A.B. Шарков

Ведущая организация Институт спектроскопии РАН , г. Троицк

Московской обл.

Защита состоится "_"_ 1997 г. в_часов в

аудитории_на заседании Специализированного Совета

К.053.05.21 по адресу: 119899, ГСП, Москва, Воробьевы горы, МГУ, физический факультет, корпус нелинейной оптики.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ.

Автореферат разослан "_"_ 1997 г.

Ученый секретарь

Специализированного Совета К.053.05.21 кандидат физ.-мат. наук, доцент

М.С. Полякова

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ.

Появление лазеров на активных средах с широкой областью спектральной перестройки оказало огромное влияние на многие области лазерной спектроскопии. Большой прогресс в области нелинейной спектроскопии был достигнут при создании лазеров генерирующих сверхкороткие световые импульсы (СКИ). Основным достоинством позволяющим применять такие источники в спектроскопии является высокая пиковая мощность в одном световом импульсе при небольшой средней мощности, что позволяет наблюдать многие нелинейно-оптические процессы в веществах без риска их разрушить. До конца 80-х годов основными источниками фемтосекундных импульсов света являлись лазеры на растворах органических красителей. За последние несколько десятков лет развития лазерной техники с их помощью были отработаны многие аспекты генерации, компрессии, усиления СКИ, а также измерения их параметров. С начала 90-х годов на смену лазерам на красителях приходят более надежные и простые системы работающие на кристаллах, в матрицу которых введены ионы металлов (например Т13+ ,Сг3+, Сг4+ и т.д.). Такие активные среды имеют широкий спектр усиления (например, в кристалле А12Оз:Т13+" полоса усиления составляет более 300 нм), что теоретически позволяет получать импульсы в единицы фемтосекунд и при этом остается возможность для перестройки длины волны в широком диапазона Исследование явлений самовоздействия в резонаторах таких лазеров позволяет целенаправленно использовать эти процессы для получения самоподдерживающегося режима генерации фемтосекундных импульсов без использования каких-либо активных модулирующих элементов.

Одним из эффективных методов получения информации о структуре молекул (в том числе органических), находящихся вблизи или на границе раздела двух сред, а также в тонких пленках является генерация отраженной второй гармоники (ГВГ) [1,2]. В течении уже более 10 лет интенсивное применение метода ГВГ позволило исследовать поверхности изотропных сред [3], полупроводников [4] и других сред. Свойством данного метода является то, что основной вклад в сигнал ВГ отраженный от поверхности исследуемого образца дает именно его поверхность, а не его объем. Особенно это важно для центросимметричных сред, для которых в дипольном приближении не существует "объемного" вклада в сигнал ГВГ. На границе раздела двух сред из-за нарушения симметрии процесс генерации электро-дипольной ГВГ становится

возможным. Поскольку эффективность поверхностной ГВГ сильно зависит от состояния поверхности, ориентации адсорбированных молекул и много другого, а также от состояния поляризации падающего излучения, то анализ зависимости сигнала поверхностной ВГ от параметров падающего излучения позволяет получать полезную, а иногда и уникальную информацию об исследуемом образце. Методика отраженной ВГ позволяет исследовать широкий круг поверхностей при разнообразном на них воздействии.

В течении последних 15 лет техника ГВГ широко используется для изучения молекул адсорбированных на поверхности [5]. Существенный интерес к применению поверхностной ГВГ проявился в спектроскопии растворов, содержащих нецентросимметричные молекулы и молекулярные системы [6].

Сигнал ВГ от свободной поверхности изотропных сред малоинтенсивен и его регистрация и анализ часто представляют определенные трудности. В этой связи актуальным становится разработка методов его усиления без изменения структуры исследуемой поверхности. Особенно это важно в случае исследования свойств мономолекулярных слоев, как центросимметричных, так и нецентросимметричных сред. Общепризнанным является применение сверхкоротких лазерных импульсов, для которых за счет увеличения интенсивности при сокращении их длительности и сохранении энергии удается увеличить нелинейный отклик поверхности, пропорциональный квадрату интенсивности падающего излучения [1].

Второй возможностью усиления слабого нелинейно-оптического отклика слоев молекул является нанесение их на профилированную металлическую поверхность, которая обладает тем свойством, что возможно значительное усиление сигнала ГВГ при возбуждении поверхностных электромагнитных волн. Естественно будет предположить, что когерентный сигнал от молекулярных слоев, нанесенных на такую поверхность будет также усилен. В пользу этого говорят экспериментальные работы по усилению в аналогичных условиях сигнала СКР [7].

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Целью работы являлось исследование процесса формирования фемтосекундных импульсов в лазерах, резонаторы которых содержат элементы с "керровской" нелинейностью, а также показать эффективность применения одного из лазеров данного типа, лазера на кристалле А1203:Т13+, к нелинейной спектроскопии.

В работе были поставлены и решены следующие задачи:

1. Расчет генерационной моды резонатора лазера, содержащего элемент, в котором происходит самовоздействие (самофокусировка) излучения.

2. Выявление новых возможностей открывающихся при учете модуляции усиления вследствие изменения параметров внутрирезонаторной моды. Нахождение условий на геометрию резонатора, при которых модуляция усиления приводит к подержанию стационарного импульсного режима лазерной генерации. На основе упрощенной теоретической модели оценка фазовой модуляции излучения происходящей в резонаторе вследствие самовоздействия излучения во внутрирезонаторном элементе.

3. Сопоставление проведенных расчетов с результатами экспериментов по исследованию областей существования фемтосекундного импульсного режима.

4. Проведение модельных экспериментов с лазером, в резонатор которого помещен дополнительный элемент приводящий к самовоздействию в нем излучения генерации.

5. Исследование возможностей применения фемтосекундного лазера на кристалле А1203:ГП3+ в нелинейной спектроскопии на примере исследования процесса генерации второй оптической гармоники (ГВГ) от "свободной" поверхности среды, содержащей нецентросимметричные молекулы.

6. Экспериментальное исследование процесса ГВГ от металлической поверхности с периодическим профилем. Сопоставление экспериментальных данных с упрощенной теоретической моделью описывающей процесс ГВГ при возбуждении на профилированной поверхности поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ).

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

1. Построена простая теоретическая модель описывающая автомодуляцию усиления в лазере с самофокусировкой излучения в активной среде. Из анализа модели определены оптимальные условия для существования самоподдерживающегося режима синхронизации мод в лазере с "керровским" внутрирезонаторным элементом, являющимся также и активной средой лазера. Проведено сравнение модели с экспериментальными данными.

2. По результатам исследования синхронизации мод в лазере на красителе с дополнительным нелинейным элементом в резонаторе показана роль фазовой самомодуляции излучения в формировании сверхкоротких импульсов в лазере с самовоздействием в резонаторе.

3. Из анализа поляризационных зависимостей сигнала ВГ от "свободной" поверхности содержащей нецентросимметричные молекулы впервые удалось оценить величины компонент тензора нелинейной восприимчивости характеризующие нецентросимметричные свойства исследуемой среды.

4. Впервые обнаружено усиление ГВГ на профилированной металлической поверхности по сравнению с гладкой поверхностью от сфокусированного фемтосекундного излучения за счет возбуждения поверхностных электромагнитных волн.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ

1. Результаты работы расширяют возможности как теоретического исследования условий существования режима синхронизации мод в лазере с "керровской" нелинейностью в резонаторе, так и создают предпосылки для новых экспериментальных исследований позволяя моделировать твердотельные лазеры с самоподдерживающимся режимом генерации сверхкоротких импульсов без применения модулирующих элементов.

2. Показана эффективность применения лазера на Тьсапфире для оценки компонент тензора квадратичной нелинейной восприимчивости поверхности изотропной нецентросимметричной среды.

3. Предложенный метод увеличения нелинейного отклика поверхности при возбуждении на ней поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ) открывает дополнительные возможности при использовании относительно маломощных лазерных фемгосекундных источников света в исследовании свойств веществ в задачах нелинейной спектроскопии.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:

1. При выборе асимметричной (неравноплечей) схемы резонатора лазера для получения устойчивого самоподдерживающегося режима синхронизации мод необходимо, чтобы параметры резонатора соответствовали краю зоны устойчивости противоположном конфокальному положению. В этом случае модуляция усиления, возникающая из-за самофокусировки светового пучка в активной среде при возникновении импульса генерации приводит с поддержанию импульсного режима.

2. Присутствие в резонаторе фемтосекундного лазера элемента с керровской нелинейностью, либо внесение дополнительного керровского элемента позволяет добиться укорочения генерируемых импульсов непосредственно в

резонаторе лазера при использовании дисперсионного элемента компенсирующего "чирп" возникающий вследствие фазовой самомодуляции.

3. С помощью метода поверхностной ГВГ возможно оценивать компоненты тензора нелинейной восприимчивости чувствительные к нецентросимметричности изотропной поверхности среды.

4. При воздействии фемтосекундного излучения на металлическую профилированную поверхность происходит существенное (более чем на два порядка) возрастание сигнала отраженной ВГ. Предполагается, что данное усиление вызвано возбуждением поверхностной электромагнитной волны, и, как следствие, возрастания локального поля на ней. Оптимальный выбор геометрии эксперимента позволяет значительно повысить нелинейный отклик исследуемого образца.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ И ПУБЛИКАЦИИ

Материалы диссертации докладывались на:

1. Конференции "Оптика лазеров-93" (С.-Петербург, 1993)

2. 15-й конференции КИНО-95 (С.-Петербург, 27 июня-1 июля 1995 г.)

3. 1Х-м симпозиуме по сверхбыстрым процессам в спектроскопии (UPS'95, Триест, Италия, октябрь-ноябрь 1995)

4. Конференции по нелинейной оптике "Meetings on Nonlinear Optics: Materials, Fundamentals, and Applications" (Maui, Гаваи, США, июль 1996)

5. Конференции по лазерным применениям в науках о жизни (LALS-96, Йена, Германия, сентябрь 1996)

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 13 работах, список которых приведен в конце автореферата.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 166 наименований. Работа изложена на 135 страницах и иллюстрирована 55 рисунком и 3 таблицами.

П. СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обосновывается актуальность выбранной темы исследования проблемы, формулируются основные цели и задачи работы, отмечается научная новизна и практическая значимость работы, перечислены защищаемые положения и кратко изложено содержание диссертации.

В первой главе приведен обзор литературы по исследованиям кристалла А1203:Т13+ (Тг-сапфира) являющегося активной средой лазера использовавшегося в экспериментах и генерационным характеристикам этой среды. Удачное сочетание спектральных, теплофизических, механических и нелинейно-оптических свойств этой среды приводит ко все более широкому ее использованию в лазерных системах. Найденные в литературе параметры использованы в расчетах во второй главе. В этой же главе дан краткий обзор основных методов синхронизации мод в лазерах на широкополосных средах, особое внимание уделено истории исследования метода и самому методу синхронизации мод, использующему эффект самовоздействия излучения внутри резонатора лазера на нелинейности в активной среде (керровская синхронизация мод). Именно развитие техники керровской синхронизации мод (КСМ) привело к бурному развитию твердотельных фемтосекундных лазерных систем, в последние годы. В Главе также рассмотрены амплитудная и фазовая самомодуляция излучения в резонаторе фемтосекундного лазера, определяющая основные параметры импульсов генерации.

Вторая глава посвящена анализу работы лазера, в резонаторе которого присутствует кроме усиливающей среды также нелинейный элемент, приводящий к проявлению амплитудной и фазовой модуляции излучения Рассмотрены некоторые методы расчета генерационной моды резонатора, не содержащего нелинейных элементов, позволяющие оценивать его конфигурацию оптимальную для существования режима генерации СКИ Приведена теоретическая модель описывающая параметры моды генерации при наличии самовоздействия во внутрирезонаторном нелинейном элементе и позволяющая учесть влияние на моду резонатора нелинейных элементов и с учетом этого влияния рассчитать величину усиления б в лазере:

где <Уа , сге -сечения поглощения и флуоресценции усиливающей среды, Рр(2;п) -

мощность накачки, С0- концентрация молекул усиливающей среды, Ц-кванмвый выход флуоресценции, Тг время жизни верхнего возбужденного "лазерного" уровня в активной среде, Н<ор - энергия кванта излучения накачки, кдр-коэффициент поглощения накачки, 1-длина усиливающей среды. гир(г) и ю(г) радиусы пучков накачки и генерации в усиливающей среде Нелинейный

-V*__

О)

элемент характеризуется параметром К определяющимся отношением мощности излучения к критической мощности, при которой происходит самофокусировка пучка.

На основе модели во второй главе проводится расчет величины усиления и анализ влияния на нее параметров резонатора и величины нелинейности в случае фемтосекундного режима генерации. Рассмотрено влияние амплитудной и фазовой модуляции на параметры излучения лазера с нелинейным элементом в резонатора Из анализа построенных на основе предложенной модели зависимостей величины усиления в лазере от линейной расстройки резонатора для ряда значений нелинейного параметра Я делается вывод о том, что на краю зоны устойчивости достигаются благоприятные условия для существования самоподдерживающегося режима генерации сверхкоротких импульсов. Поскольку параметр К однозначно определяется пиковой мощностью внутрирезонаторного излучения и описывает самофокусировку излучения в активной среде, то влияние величины Л на изменение ЛС величины усиления в лазере характеризует автомодуляцию усиления в лазере, которая и обеспечивает самоподдерживающуюся синхронизацию мод.

В этой же главе рассмотрено влияние фазовой самомодуляции на характеристики излучения фемтосекундного лазера, в резонаторе которого присутствуют элементы, вносящие дисперсию групповых скоростей и автомодуляцию амплитуды. Показано, что по виду зависимостей длительности импульсов излучения от величины вносимой внутрирезонаторной дисперсии можно судить о наличии амплитудной модуляции.

В третьей главе экспериментально исследуется работа лазера с керровской нелинейной средой в резонаторе. Рассмотрены два случая: 1) керровская среда дополнительно вносится в резонатор лазера и 2) сама активная среда является керровским элементом.

На рис.1 представлена блок схема установки использовавшейся в данной работе. Аргоновый лазер служил источником накачки для лазера на красителе

Рис. 1 Блок-схема экспериментальной установки, использовавшейся в работе

или лазера на ТЧ'-сапфире. Система контроля параметров излучения позволяла измерять выходную мощность лазера, длительность генерируемых импульсов, частоту следования импульсов, спектр. Излучение лазера на Тг-сапфире заводилось в измерительный блок, где использовалось при проведении экспериментов, описанных в следующей главе, по генерации второй гармоники на поверхности образцов.

При сокращении длительности импульсов генерируемых лазерами на красителе до величины около 100 фс начинаются сказываться эффекты вызванные керровспой нелинейностью растворителя в усиливающей и поглощающей средах [8]. В первой части Главы 3 рассмотрен лазер на красителе, в резонатор которого помещен элемент с нелинейным коэффициентом щ большим, чем у растворителя - для того, чтобы усилить проявления нелинейности и исследовать влияние этого элемента на характеристики выходного излучения лазера. Особенностью данного исследования является то, что в лазере на красителе можно пространственно разнести усилитель, поглотитель и корровский элемент, чтобы по отдельности исследовать влияние их на параметры выходного излучения. Хотя исторически КСМ была впервые применена в твердотельных лазерах, где и получила широкое применение, до сих пор существует интерес к системам на красителе с дополнительными нелинейными элементами.

В данной части работы исследован ряд зависимостей длительности генерируемых импульсов от различных параметров резонатора лазера. На рис.2 представлена одна из таких зависимостей иллюстрирующая влияние положения внутрирезонаторного нелинейного элемента относительно перетяжки пучка генерации.

Вторая половина Главы 3 посвящена исследованиям лазера на Тьсапфире и сопоставлению экспериментальных данных с результатами расчетов Главы 2.

На рис.3, представлена зависимость выходной мощности лазера на Тг-сапфире от расстройки длины его резонатора. Видно, что для лазера существуют две зоны устойчивости, в которых возможна непрерывная генерация. Область же устойчивого существования режима синхронизации мод ограничена только правым краем первой зоны устойчивости Из анализа теоретической модели, изложенной в Гл.2, следует, что для резонатора с неравными плечами именно при таком выборе рабочей точки в зоне устойчивости резонатора обеспечивается эффективная автомодуляция усиления, поддерживающая режим синхронизации мод

-2 0 2 X, мм

Рис.2. Зависимость длительности генерируемых импульсов от положения нелинейной среды Са1г2 относительно перетяжки пучка в плече |М1М2| резонатора лазера на красителе (см. рис.1).

AL, мм

Рис.3. Области устойчивости резонатора лазера на Ti3+:Alj03 приведенного на рис.1. AL - увеличение длины плеча |М2М3|; wp - радиус пучка накачки

щ - расчетный радиус гауссовою пучка в перетяжке (----).

Р - экспериментально измеренная мощность в режиме непрерывной генерации (—). На оси абсцисс штриховкой выделен диапазон расстроек ЛL, при которых достигается режим синхронизации мод.

Фазовая автомодуляция излучения вследствие керровской нелинейности активной среды при внесении в резонатор дисперсионного элемента с отрицательной дисперсией групповых скоростей приводит к формированию сверхкоротких импульсов в лазере на Ti-сапфире.

В лазере на ТЧ'-сапфире были получены импульсы излучения с длительностью 80 фс, частотой повторения 109 МГц и средней мощностью около 200 мВт.

В четвертой главе рассмотрены некоторые приложения исследованного лазера к нелинейной спектроскопии органических и неорганических материалов на границе раздела двух сред. На рис.4 показана часть экспериментальной установки, в которой осуществлялись эксперименты по исследованию ГВГ на поверхности. В качестве источника излучения использовался фемтосекундный лазер на ТЧ'-сапфире, описанный в предыдущих главах.

Первая часть главы посвящена применению фемтосекундного Ti-сапфирового лазерного источника для анализа нецентросимметричной поверхности сахара.

В работе [9] была предложена модель ГВГ при отраженной от изотропной поверхности нецентросимметричных сред. Согласно этой модели зависимость сигнала ВГ от состояния поляризации падающего излучения, описывается соотношением:

L.p(2(o) ос \fsp cos2 а + g, p cos a sin а + hl p sin2 <r|J, (2)

где Is(2új), Ip(2a>) - интенсивность излучения ВГ с s- и р-поляризациями, а -угол поворота плоскости поляризации излучения основной частоты относительно плоскости падения (а=0 соответствует р-поляризации), а параметры /, д и h -содержат информацию о компонентах тензора нелинейной восприимчивости отвечающего за процесс ГВГ на поверхности. Как показано в [9], ГВГ на изотропной поверхности образованной нецентросимметричными молекулами, определяется только четырьмя ненулевыми независимыми компонентами тензора j¿2)\ %zxx, Ххтл iXzzz и Ххуг > причем последняя отлична от нуля только в нецентросимметричных средах

Сопоставление экспериментально полученных поляризационных зависимостей, показанных на рис.5, с выражением (2) позволяет определить параметры /, g и h , а по ним - компоненты тензора На рис.5 рядом с соответствующими кривыми приведены значения параметров /, д и h. Эти

Рис.4. Схема установки для ГВГ на поверхности исследуемого образца.

РФ - двойной ромб Френеля, Ль Л2, Лз - линзы, ПГ - призма Глана, Ф - светофильтр СЗС-

23, ГОС - ПЗС-камера, управляемая компьютером.

Рис.5. Поляризационная зависимость сигнала отраженной ВГ от поверхности сахара. На оси абсцисс значению а-О "соответствует/»-поляризации падающего излучения. Сплошными линиями проведена привязка экспериментальных данных к модели (см. выражение (2)). Полученные параметры привязки указаны радом с кривыми.

значения соответствуют следующим соотношения между компонентами тензоров:

1-03+0.05 , ^/^=13.0+0.1 и ^уг/^г:сх=2.42±0.04.

В зависимости интенсивности ГВГ от угла а при отражении от центросимметричной среды минимумы (максимумы) зависимости 12й/а) располагались бы при а=90°(0°).

Во второй части Главы 4 рассмотрен процесс ГВГ от металлических профилированных поверхностей при воздействии на них фемтосекундных лазерных импульсов с целью исследования процесса усиления ГВГ на этих поверхностях.

В качестве объекта исследования были взяты нарезные дифракционные решетки с алюминиевым напылением. Они отличались периодом и глубиной рельефа, причем глубина рельефа была меньше или порядка длины волны излучения использовавшегося для возбуждения ВГ.

Проведенное экспериментальное исследование зависимостей сигнала ВГ от поляризации падающего излучения и ориентации образцов относительно плоскости падения излучения выявило существенное увеличение эффективности ГВГ при выполнении условий на возбуждение поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ). Так, было зарегистрировано возрастание интенсивности ГВГ более чем в 100 раз по сравнению с ГВГ при отражении от гладкой металлической поверхности.. На рис.6 приведена одна из зависимостей от угла поворота образца <р (см. рис.4) для решетки с периодом 1200 штрихов на мм и глубиной профиля 200 нм. На этом же графике показана зависимость линейного коэффициента отражения этой же решетки от (р. Как видно из рисунка, минимумам отражения отвечают максимумы сигнала ВГ, что свидетельствует о возбуждении ПЭВ на поверхности. В диссертации также приведены аналогичные зависимости для решетки с более глубоким профилем, для которой заметно несоответствие линейного и нелинейного отражения. Описание такого поведения в рамках существующих теорий пока не представляется возможным.

<р, град

Рис.6. Зависимость коэффициента отражения на основной частоте Л и величины сигнала ГВГ от угла поворота дифракционной решетки относительно плоскости падения. Решетка 1200 штр/мм. Излучение основной частоты ^-поляризовано.

III. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана экспериментальная установка для исследования режимов работы фемтосекундного лазера на кристалле А1203:Т13+ и проведено систематическое исследование его режимов работы. Рассмотрены как режим непрерывной генерации, так и режим генерации сверхкоротких импульсов. Экспериментальные данные по исследованию зон устойчивости резонатора качественно совпали с данными рассчитанными на основе упрощенной модели описанной в диссертационной работе. Определено, что область самоподдерживающегося режима синхронизации мод расположена на краю зоны устойчивости, отвечающему максимуму автомодуляции усиления. Показано, что определяющим механизмом поддерживающим импульсный режим генерации является модуляция усиления происходящая вследствие модуляции параметров пучка в резонаторе. Роль фазовой автомодуляции проявляется на более поздних этапах формирования сверхкоротких импульсов. Внесение в резонатор элемента с отрицательной дисперсией групповых скоростей оптимальной величины позволяет получать на выходе лазера импульсы длительностью менее 100 фс.

2. Для исследования влияния внутрирезонаторного нелинейного элемента на формирование СКИ разработана и собрана установка на базе лазера на органическом красителе, на которой было исследовано влияние фазовой самомодуляции на работу фемтосекундного лазера. Исследована зависимость длительности генерируемых импульсов от дисперсии групповых скоростей вносимой компенсатором чирпа. Продемонстрировано действие керровского нелинейного элемента на параметры выходного излучения лазера. Показано качественное соответствие поведения лазера с теоретической моделью, основанной на солитонном распространении импульса генерации в резонаторе.

3. Продемонстрирована эффективность применения ¡фемтосекундного лазера на Т1-сапфире в нелинейной спектроскопии поверхности. Исследована ГВГ от поверхности раствора сахара. Показано, что применение методов поляризационной нелинейной спектроскопии, основанной на процессе ГВГ, позволяет исследовать нецентросимметричные ("хиральные") свойства органических сред. Впервые оценены компоненты тензора описывающие ГВГ на поверхности, в том и числе "хиральный " вклад в ГВГ.

4. Впервые продемонстрирована возможность получения значительного (более чем на два порядка) усиления ГВГ на металлической поверхности с периодическим профилем произвольной ориентации при воздействии на нее сфокусированного излучения фемтосекундных импульсов. Проведенный анализ

экспериментальных результатов показал качественное их согласие с существующими теориями. Количественное описание результатов проведенных опытов может быть осуществлено лишь после построения соответствующей дифракционной теории, принимающей во внимание несинусоидальный профиль рельефа и конечную глубину модуляции, сравнимую с временем пробега ПЭВ через поперечное сечение сфокусированного пучка.

Материалы диссертации отражены в следующих публикациях:

1. Ангелуц А.А., Криндач Д.П., Пакулев А.В., Сурмий В.И. Модуляционные процессы и характеристики излучения фемтосекундного лазера на Ti-сапфире.// Тезисы докладов конференции "Оптика лазеров-93", С.-Петербург, 1993, с. 428

2. Ангелуц А.А., Криндач Д.П., Пакулев А.В., Сурмий В.И. Модуляционные процессы и характеристики излучения фемтосекундного лазера на Ti-сапфире.// Известия РАН, сер. физическая, 1994, т.58, №2, с.162-160

3. Angelutz А.А., Krindach D.P., Pakulev A.V., Surmii V.L Kerr lens modulation processes in femtosecond Ti:sapphire laser..// Proc.SPIE, 1994, v. 2095 ( Laser Physics), p.73-76

4. Криндач Д.П., Ангелуц A.A., Ожередов И.А. Лазер на красителе с керровской нелинейностью в резонаторе.// Тез. 15-й конференции КИНО-95 ,С.Петербург, 27 июня-1 июля 1995 г., т.1, с.135.

5. Ангелуц А.А., Кобелев Д.Ю., Криндач Д.П., Пакулев А.В. Автомодуляция ненасыщенного усиления в фемтосекундном лазере на сапфире, легированном TL // Квант, электр., 1995, т.22, №11 с. 1099-1102

6. Ангелуц А.А., Криндач Д.П., Ожередов ИА. Исследование модуляции излучения лазера на красителе с внутрирезонаторной нелинейностью.// Вестник МГУ, серия 3 "Физика Астрономия", 1995, т.36, №6, с.98-100

7. Ангелуц А.А., Криндач Д.П., Ожередов И.А. Лазер на красителе с керровской нелинейностью в резонаторе.// Известия РАН, сер. физическая, 1995, т.59, №12, а 35-39

8. Ангелуц А.А., Коротеев Н.И., Ожередов И.А, Шкуринов А.П. Генерация второй гармоники фемтосекундных импульсов при отражении от металлической поверхности: усиление за счет периодической модуляции рельефа.// Письма в ЖЭТФ, 1996, т.63, вып.З, с. 155-159

9. Krindach D.P., Angelutc A.A., Ozheredov LA. Dye laser with intracavity Kerr nonlinearity.// ProcSPIE, 1996, voL2800 ( Nonlinear Optical Interactions and Wave Dynamics), p. 205-210

10. Koroteev N.I., Makarov V.A., Shkurinov A.P., Pakulev A.V., Angelutc A.A., Resniansky A.Yu., Balakin A.V. Nonlinear optical eifccts in the bulk and at the surface of acentric liquids demonstrating natural optical activity.// Meetings on Nonlinear Optics: Materials, Fundamentals, and Applications, Hawaii (USA), July 8-12 1996, NThD4

11. Angeluts A.A., Balakin A.V., Koroteev N.L, Ozheredov LA., Pakulev A.V., Resniansky A.Yu., Shkurinov A.P. Optical harmonic generation from chiral surfaces with femtosecond laser pulses.// Ultrafast processes in spectroscopy (Ed. by O.Svelto, S. De Silvestri and G.Denardo), 1996, N.Y.:Plenum Press, p.391-394.

12. Angeluts A.A., Koroteev N.I., Ozheredov LA., Shkurinov A.P, A.A.Goncharov Enhancement of femtosecond second harmonic generation due to periodic modulation of metal surfaces as a perspective tool for studying of surface chirality.// 6th International Conference on Laser Applications in Life Sciences , Jena (Germany), 1996, Pl-50.

13. Ангелуц А.А., Гончаров А.А., Коротеев Н.И., Ожередов И.A., Шкуринов A.IL. ГВГ при отражении сфокусированных пучков фемтосекундных импульсов от металлической поверхности с периодическим рельефом.// Квант, электр., 1997, т.24, №1, е.67-70

ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1 . Шен И.Р. Принципы нелинейной оптики: (Пер. с англ. под ред. С.А.Ахманова.), -М.:Мир, 1989

2 . Moskovits М. Surface-enhanced spectroscopy. // Rev. of Modern Physics, 1985, v.57, No.3, Part I, p.783-825.

3 . Hicks J.M., Kemnitz K., Eisenthal K.B., Heinz T.F. Studies of liquid surfaces by second harmonic generation.// J. Phys. Chem., 1986, v.90, No.4, p.560-562

4 . Akhmanov S.A., Koroteev N.L, Shumay LL. Nonlinear Optical Diagnostics of Laser-Excited Semiconductor Surfaces. - Harwood publishers, 1989

5 . Felderhof B.U., Bratz A., Marowsky G., Roders O., Sieverdes F. Optical second-harmonic generation from adsórbate layers in total-reflection geometry.// J. Opt. Soc. of Am, 1993, v.10, No.10, p.1824-1833.

6 . Коротеев Н.И. Новые схемы нелинейной оптической спектроскопии растворов хиральных биологических макромолекул// ЖЭТФ, 1994, т.106, №5(11), с.1260-1277

7 . Гигантское комбинационное рассеяние.(Под ред. Р.Ченга, Т.Фуртака. Пер. с англ. под ред. В.М.Аграновича.)-М:Мир, 1984.

8 . Новодережкин В.И. Пассивная синхронизация мод непрерывного лазера на красителе с быстрорелаксирующим поглотителем. Дисс... канд. физ.-мат. наук. М.: МГУ, 1990

9 . Maki J.J., Kauranen M., Persoons A. Surface second-harmonic generation from chiral materials./ Phys. Rev. B, 1995, v.51, No.3, p. 1425-1434